1、本科毕业论文（20 届）一种有机线性光学材料性测量所在学院 专业班级 应用物理 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）摘 要光致折射率变化效应简称光折变效应，然而光信息处理的最基本手段就是利用光折变效应。应用于各种领域，例如光放大、空间调制器、全光学时间积分器、光振荡、光学记忆、图像存储与复原、图像相减相加和反演、图像相关和卷积。在许多光折变晶体中我们可以观察到光散射现象。但有机材料中比较少见，不过通过实验我们发现，有机材料被溶解时，可以观察到散焦现象。我们在实验中采用的有机溶剂为 ，有机溶（DMFrmaideDiethylf
2、o-N,质为 ， ，nol(B)4,-ipheol(C)pheny-4 ol()phny-4-2我们配置了(E)rbitlycaydrx l()ri5n)drxpe-42不同质量百分比的溶液，用 532nm 的激光器通过凸透镜聚焦照射溶液，我们发现部分样品出现了自散焦现象其中 B，C 没有自散焦现象。D，E，F 有自散焦现象。当外挂基团处于对称状态时没有自散焦现象，而外挂基团为非对称性时有自散焦现象。我们认为有机材料在受到激光的作用后，材料分子的极性发生了变化，进而产生空间电荷场，这些空间电荷场会让激光束产生自散焦现象，通过对比试验自散焦现象与溶剂无关。空间电荷场的强弱随激光强度的变化而改变。
3、我们自制了一个电路用于观察空间电荷场的电荷分布，得出了两个结论空间电荷场与热效应无关，激光束的偏振态对空间电荷场的强弱没有影响。关键词：自散焦 空间电荷场 光折变效应 Z 扫描天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）AbstractPhotorefractive effect is short for light induced refractive change effect.Photorefractive effect has become the basic means of optical information processing,applicating for o
4、ptical amplifier, optical oscillation, optical memory, image storage and recovery, spatial modulator, all-optical time integrator, image subtraction additive and inversion, image correlation and convolution, and many other fields.People observed light scattering phenomenon in a lot of photorefractiv
5、e crystal.Through the experimental observation we found that the organic material which is dissolved in organic solvent, defocusing phenomena can be observed.We chose N,N-Dimethylformamide（DMF）as the solvent and 4,4-Biphenol(B)，4-phenylphenol(C)，2-amino-4-phenylphenol(D)，4-hydroxy-4-biphenylcarbonit
6、rile(E)，2-(4-hydroxypheny)-5-pyrimidinol(F)as the solute.we configured different quality percentage for solution.By using the laser of 532 nm,through the lens focuses light,radiated the solution,we found the following conclusion: B, C samples does not have the defocusing phenomenon;D, E, F, samples
7、have the defocusing phenomenon;These samples are of the basical chemical structure of hydroquinone (A), when the external groups are symmetrical without the defocusing phenomenon, but external groups are asymmetryhave with the defocusing.We believe that the organic material under the effect of the l
8、aser, polarity of material molecules, changed,producing space charge field.We made a circuit used to observe the charge distribution of space charge field.It is concluded that the laser polarization has no effect on the strength of the space charge field and space charge has nothing to do with the h
9、eating effect.To study the microscopic mechanism of organic material, we use z- scan technology to further measurea by nanosecond, picosecond laser beam,which proves that the defocusing phenomenon of the material is not caused by the thermal effect.Key words： Photorefractive effect,the defocusing 天津
10、理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）phenomenon,the space charge field, z- scan technology天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）目 录第一章 绪论.11.1 近代光学材料概况 .11.2 非线性光学效应 .11.3 常见的非线性光学现象 .21.4 非线性光学材料种类 .41.5 光学材料应用于激光技术和光谱技术 .51.6 常见的非线性光学材料 .6第二章 有机非线性材料的自散焦研究.82.1 引言 .82.2 光学克尔效应 .82.3 自聚焦和自散焦 .82.3 实验条件 .82.3 实验过程与结果 .9
11、2.4 实验测试 .11第三章 多晶态 Alq3 发光二极管 .123.1 引言 .123.2 实验样品的准备 .123.3 光致发光光谱 .133.4 小结与讨论 .16第四章 全文总结.23参考文献.29致 谢.33天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）1第一章 绪 论1.1 近代光学材料概况Franken 等人在 1960 年左右, 用红宝石激光束照射石英晶体时,观察到了倍频效应，随后非线性光学也油然而生，能产生非线性光学效应的介质叫做非线性光学材料，它推动了材料科学、量子光学、激光物理学等相关学科的发展，无论理论上还是在应用上都取得了相当多成就。激光变频为应用最多的就
12、是利用非线性光学晶体。在无机物的非线性光学效应被发现之后，就出现相当多的有机非线性光学材料被发现或者合成出来，香豆素、苦味酸、尿素、硝基苯胺等都是典型有机非线性光学材料。相对于无机非线性光学材料，有机非线性光学材料具有许多优点;例如：响应快、介电常数低、非线性系数大等优点。经长期的发展，有机非线性光学材料已从体块材料拓展到薄膜材料、从常规宏观材料拓展到微结构的有机非线性光子晶体、从有机小分子发展到高分子、甚至从有机拓展到有机-无机杂化。有机非线性光学材料在很多领域都展现着耀眼的光芒。有机材料是由有机分子间的范德华力结合形成的，无机晶体的离子键与范德华力相比强的多。因此在相同光强下，无机晶体比有
13、机分子的宏观非线性极化小得多，然而范德华力较弱很有可能是有机材料之所以稳定性差的深层原因。在光器件、材料分析、激光技术、光纤通信、与加工等诸多方面 非线性光学材料被广泛应用，而现有材料在某些方面的缺陷如响应时间慢、非线性系数小、光透过率差、导热性差、稳定性差、难制备等制约了其应用。那么发展新的材料就比改进之前的材料有用得多。如 DAST 及其类似物用于差频产生太赫兹波、树脂聚合物用于双光子聚合加工、聚苯乙烯光子晶体用做超快响应全光开关、碳纳米管作为激光限幅材料等等。1.2 非线性光学效应当强光在介质中传播时，光的强度、频率、相位或是其他一些传播特性发生变化，并且它们的变化跟入射光的光强相关。
14、其产生原理是当物质处在电磁场中时,物质原天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）2子的正、负电荷中心会产生一段位移而发生极化，出现一种诱导的偶极矩 P。当光强较弱时，光的电场强度 E 与诱导偶极矩 P 成线性关系；当光强较强时会产生非经典光学的相位、偏振、频率以及其它传输性质变化了的新的电磁场。电场强度 E 就变成诱导偶极矩 P 的非线性函数，如下表示:： 32Ep分子的微观线性极化率是 ，分子的一阶超极化率是 ，分子的二阶超极化率是 。则电场强度 的 次幂诱导的电极化效应称为 阶非线性光学效应。nn宏观介质：其中 类比于 ， ， ，用于表示介32)()(1ExExp )3(,
15、2)1(x质的 阶非线性系数。因此好的非线性光学材料应该拥有非对称的电荷分布、非中心n对称、大的 电子共轭体系、易极化的分子构成的材料。此外,还应考虑材料的光学完整性、硬度及化学稳定性，均匀性、宽的透过能力，在工作波长可实现相位匹配，较高的功率破环阈值，易于进行各种光学、机械加工，易于生产、价格便宜等。1.3 常见的非线性光学现象目前最常见的非线性光学效应有1，光学整流：产生恒定极化电荷以及与之相对应的电势差与光强成正比而与频率无关，类比于使交流电经过整流管整流后产生直流电压。 2，产生高次谐波：强光进入介质后，由于介质的非线性光学效应，除了原来的频率外，还将出现 ， 等高次谐波。而当弱光进入
16、介质后光束的频率保持不变。 23美国的弗兰克在 1961 年和他的同事在实验中第一次观察到了二次谐波。他们将红宝石激光器发出的激光脉冲聚焦到石英晶片上，随后观察到了波长为 3471.5 埃的紫外二次谐波。这种倍率效应在激光领域中被广泛应用，例如把铌酸钡钠晶体放在 1 瓦，1.06 微米波长的激光器腔内，可以得到连续的 1 瓦的二次谐波的激光，其波长为 5323埃。 3，光学混频：当频率分别为 和 其中 的两束激光同时照射介质时，若只1221考虑极化强度 P 的二次项，将产生频率为 的差频项和频率为 的和频项。21光学参量振荡器就是利用光学混频效应制作而成的，类似激光器的光源可在很宽范天津理工大
17、学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）3围内调谐，发射从红外到紫外的相干辐射。 4，受激拉曼散射：当入射光为弱光时产生的拉曼散射散射光是不相干的，即自发散射。当采用光强较强激光时，产生的散射为受激拉曼散射，这是由于激光辐射与物质分子的强烈作用，让散射过程具备受激辐射的性质。散射光的相干性很强，其强度也高于自发拉曼散射光强。受激拉曼散射能够得到多种新波长的相干辐射，这样我们就有更多的手段去深入研究强光与物质相的互作用规律。 5，自聚焦,：在强光作用下介质的折射率将随光强的增加而增大，激光束的强度具有高斯分布，光强由从外相中周处围递增，所以激光束在轴线附近的折射率最大，如同一个凸透镜使光束
18、向轴线会聚达到一细丝极限（直径约 米） ，并可在这细丝范围6105内产生全反射，如同光在光学纤维内传播一样。 然而自散焦是光作用下介质的折射率将随光强的增加反而减小。在电磁场中，最基本的两个物理量是介电常数 和磁导率 ，分别表示物质对电磁波的磁响应和电响应，在自然界中， 和 都是正值，且一般 ，即不考虑磁响1应。电介质中由于 ，故而有 ，我们通常习惯性地舍掉负根，取2nn，其中电场、磁场和波矢之间满足我们熟知的右手螺旋规则。n在光子学和光电子领域，各种光电混合和全光器件需要研制，例如各种光调制器件和光波导，光开关等等。在实际生活中想要找到符合高速响应，高灵敏度，高密度以及机械加工和损伤阈值满足
19、上述要求的材料，仍然是光电子领域一个基本的任务。所以这就需要有效的方法来筛选大量材料的光学非线性。例如：干涉法，泵浦探测法，四波混频法等。最普遍的多光路结构，在实验上实现并不方便。描述激光束的特性从弱下角度判断：空间横向分布，时间分布，偏振，频率，强度或振幅。6，光致透明：当光强较低时介质的吸收系数与光强无关，但在很强的激光照射下，介质的吸收系数则与光强存关系，例如某些本来不透明的介质在强光作用下吸收系数就会变为零。 1.4 非线性光学材料种类有如下几种1、无机- 有机杂化材料2、有机非线性光学晶体 3、无机非线性光学晶体 天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）41.5 光学
20、材料应用于激光技术和光谱技术1、在倍频激光器中得到倍频光 2、用作光学参量振荡器，制成宽光谱范围的可调谐单色光源 3、实现将红外光变为可见光的频率转换 4、是开发光计算机的关键材料1.6 常见的非线性光学材料无机非线性光学材料在二次非线性光学材料应用中无机材料取得了巨大的进展。在很长时间内都处于主导地位，并在许多装置加以应用。跟有机材料相比，无机材料会更加稳定；许多无机材料都允许各向异性离子交换，从而用于导波器材料，然而在有机材料中却难以实现。无机非线性光学材料拥有纯度更高的晶体形式其中包括：KDP ( KH2 PO4 ) 型材料主要包括四方晶系的一些同构物和 KH2 PO4 以及氘代物晶体等
21、。此类型的晶体是高质量的单晶，在高功率倍频中经常会适用到达到 90的相位匹配。虽然这类晶体的非线性系数较小，但是在高功率下不会妨碍获得高的转换效率。 KTP ( KTiO2PO4 ) 型材料主要包括 KTiOPO4 以及正交晶系的同构物等。此类晶体很难脆裂，不易潮解，化学稳定性好，非线性系数较大，吸收系数低，易加工和倍频转换效率高等，是优良的非线性光晶体，但难以透过紫外线。 材料的光学非线性的测量方法很多，但是多种情况都要用两种以上的光束，而且非线性极化率通的实部和虚部通常不能同时测出。Z 扫描技术是一种方便有效的测量材料光学性质的方法，它采用单光束测量，由远场小孔投射率的变化和诱导相变的简单
22、线性关系可推出非线性折射率的大小和符号，也可以测出具有非线性吸收的介质的非线性吸收系数。这种单光束扫描方法操作方便，灵敏度高，适用于所有的光学非线性测试。所以，自它提出以来得到了广泛的应用。以往应用比较多的是纳秒和皮秒 Z 扫描技术测量材料的光学非线性。近年来，飞秒 Z 扫描技术以其光源稳定、得到了飞速的发展以及广泛的使用。天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）5第二章 有机非线性材料自散焦性质的研究2.1 引言光场会引起各向同性的非线性介质极化率的实部发生变化或者说产生非线性折射率。光致折射率的变化有多种效应，比如光学克尔效应自作用和互作用介质光强越大折射率变化越大，自聚焦
23、、自散焦效应是由光束在传播过程中由于高斯光束横向分布的不均匀性而引起的。以及相关的时间和空间自相位调制现象。随着激光技术的发展，大家越来越重视激光的安全性，激光防护器也就应运而生。它们的基本原理是基于线性光学的吸收、反射、衍射等机理研制而成。虽然有很多优点但是也反馈出很多不足之处，例如其可见光的透射率比较低。防护波段范围小，防护激光能量较低；不具有低光强下有较高的透射率，高光钱下有较低的透射率的防护要求；短脉冲，可调谐激光等激光是无法防护的。在这种趋势下热自散焦光限幅技术引起了人们的重视。2.2 光学克尔效应光克尔效应中光电场直接作用所引起的折射率变化的大小与光电场的平方成正比，即 。该效应属于三阶非线性光学效应。根据非线性极化率的产生方式不同光2En学克尔效应可以被分为两种：（1）自作用光学克尔效应：信号光的频率 自身的光强所引起的介质折射率变化，同时用一束信号光在该频率 下直接探测非线性折射率的大小。 （2）互作用光学克尔效应：需要频率不同或者偏振方向不同的强泵浦光，同时用弱信号光探测介质非线性折射率的大小。光泵浦光即引起折射率变化的强光，信号光即探测介质折射率变化大小的弱光。光波在介质中传播时，介质折射率的变化会导致光波相位的变化。平面单色波
